Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte aerodynamische und strukturmechanische Lastvorhersage an Rotorblättern von Windenergieanlagen und deren Anwendung in einer Online-Lastschätzung

Aufgrund der unterschiedlichen Beanspruchung einzelner Komponenten moderner Windenergieanlagen (WEA) ist für deren Entwicklung und effizienten Betrieb eine präzise Abstimmung der Komponenten aufeinander erforderlich. Diese technische Herausforderung wird aufgrund der strukturellen Zusammensetzung der Windenergiebranche für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) zusätzlich erschwert, da diese als Zulieferer vergleichsweise wenigen großen Unternehmen gegenüberstehen. Um die Position der KMUs nachhaltig zu stärken, ist die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen erforderlich, die diesen trotz beschränkter Ressourcen einen tieferen Einblick in den komplexen Komponentenverbund einer WEA ermöglichen, welcher aktuell meistens den großen Anlagenherstellern vorbehalten ist.

Um ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkung der einzelnen Komponenten einer WEA zu erlangen, wird eine möglichst genaue Beschreibung des Betriebsverhaltens der Komponenten benötigt. Insbesondere die dynamischen Wechselwirkungen des Rotors sind maßgeblich für die im System einer WEA auftretenden Lasten verantwortlich. Daher soll innerhalb des Forschungsvorhabens eine Methode zur dynamischen Lastrechnung des Rotors entwickelt werden, die es den KMUs ermöglicht, die resultierenden aerodynamischen und strukturmechanischen Lasten möglichst genau zu bestimmen.

Die im Forschungsvorhaben beschriebenen Verfahren bieten eine höhere Genauigkeit als die im KMU-Sektor etablierten Methoden und berücksichtigen die in diesem Sektor vergleichsweise geringe verfügbare Rechenleistung. Die geplante Kopplung an eine etablierte WEA-Simulationsumgebung eröffnet KMUs neben einer effizienteren Auslegung des Rotors und der nachgeschalteten Komponenten, eine gezielte interdisziplinäre Analyse der resultierenden Lasten und Interaktionen innerhalb des Komponentenverbunds einer WEA. Diese Option verschafft ihnen sowohl national als auch international einen signifikanten Wettbewerbsvorteil.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Projekt wurde die Expertise der Aerodynamik, der Strukturdynamik und der Regelungstechnik zusammengeführt, um die Belastungen von Windenergieanlagen (WEA) in der Entstehung (Aerodynamik), der Übertragung (Strukturdynamik) sowie insgesamt zur Laufzeit geschätzt (Regelungstechnik) präziser beschreiben zu können.

Seitens der Aerodynamik wurde ein 3D Panelverfahren mit zwei verschiedenen Grenzschichtcodes zur Berechnung der aerodynamischen Lasten gekoppelt. Mit diesem können die Unsicherheiten der Lasten gegenüber blattelementbasierten Methoden teilweise gesenkt werden. Für KMU stellen Panelverfahren ein wichtiges Bindeglied zwischen aufwandsarmen Simulationsmethoden (Blattelementtheorie) und aufwändigen numerischen Simulationen und Versuchen dar.

Bezogen auf die Strukturdynamik wurde ein Platte/Stab-Modell entwickelt, welches das Referenz-Rotorblatt hinreichend genau abbildet. Gegenüber dem häufig verwendeten Balkenmodell besitzt dieses mehr Freiheitsgrade und kann zusätzlich die Blattverjüngung sowie lokale Verspannungen abbilden.

Auf Seiten der Regelungstechnik wurde die Modellbildung eines in einem regelungstechnischen Beobachtungsverfahren verwendeten Modells hinsichtlich zusätzlicher strukturdynamischer Informationen erweitert. Dazu wurde ein dynamisches Gesamtmodell einer WEA aus den in KMU häufig vorhandenen Simulationsmodellen und -daten abgeleitet. Das Verfahren ist durch die aufwandsarme Modellerstellung und der Lastschätzung ohne aufwändige physikalische Modellierung für KMU direkt verwendbar. Durch die verbesserte Lastschätzung ist es möglich, die Auslenkungen der jeweiligen Rotorblätter individuell zu schätzen. Weitere geschätzte Zustandsgrößen wie auch Sensorsysteme lassen sich nach dem gleichen Verfahren integrieren, wodurch sich zusätzlich das Potential erweiterter Sensorik abschätzen lässt.